DE2547081A1

DE2547081A1 - Einrichtung zur beruehrungslosen messung der hoehe und seitenlage des fahrdrahtes bei elektrischen bahnen

Info

Publication number: DE2547081A1
Application number: DE19752547081
Authority: DE
Inventors: Hans-Werner Dipl Ing Einicke
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1975-10-17
Filing date: 1975-10-17
Publication date: 1977-04-21

Description

Einrichtung zur berührungslosen Messung der Höhe und
Seitenlage des Fahrdrahtes bei elektrischen Bahnen Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur berührungslosen Messung der Höhe und Seitenlage des Fahrdrahtes über der Schienenoberkante bei elektrischen Bahnen mit Hilfe von fotoelektrischen Sensoren, bei der an einem Distanzstück als Meßbasis auf dem Wagendach eines Schienenfahrzeugs, in einer festen Entfernung voneinander, zwei fotoelektrische Sensoren so angeordnet sind, daß sie den Fahrdraht unter bestimmten Winkeln erfassen und aus ihren Signalen mittels einer elektronischen Meßwertverarbeitungseinheit Höhe und Seitenlage des Fahrdrahtes rechnerisch bestimmt wird, nach Patent .. .. ... (Patentanmeldung P 24 40 085.9).
Es wird dabei von einem schwingungsarmen Meßwagen ausgegangen, wie er nach heutigen Erkenntnissen gebaut werden kann. Da die Meßeinrichtung sich auf dem Wagendach befindet, die Messung jedoch auf die Schienenoberkante umgerechnet wird, gehen die Wagenschwingungen in das Meßergebnis mit ein. Sie dürfen bei vorgegebener Meßgenauigkeit bestimmte Grenzwerte nicht überschreiten, was durch Schwingungsmessung am Wagen festgestellt werden muß.
Aufgabe der Erfindung ist es, einmal Einrichtungen der eingangs genannten optischen Art für noch genauere Messungen geeignet bzw. darüber hinaus den Einsatz auch bei stärker schwingungsbehafteten Fahrzeugen überhaupt möglich zu machen.
Das geschieht nach der Erfindung dadurch, daß die Lageabweichung der Meßbasis auf dem Schienenfahrzeug, bezogen auf die Schienenoberkante, mittels Sensoren erfaßt und mit diesen Daten eine rechnerische Entkoppelung der Meßergebnisse über Höhen- und Seitenlage des Fahrdrahtes von den Eigenschwingungen des Fahrzeuges erfolgt.
Es ist denkbar, durch kardanische Aufhängung der Meßbasis diese mechanisch vom Fahrzeug zu entkoppeln.
Solche Aufhängungen geben jedoch Stöße sowie Höhen-und Seitenbewegungen des Fahrzegs weiter. Sie können nur punktförmig wirken (Mittelpunktaufhängung nötig) und sind für die vorliegende Anwendung, bei der die Meßbasis als stationär angenommen werden muß, nicht brauchbar.
In Ausgestaltung der Erfindung sind Lageabweichungen der Meßbasis von den Sensoren durch Messung der Schwenkbewegungen des Fahrzeugs um seine drei fiktiven Drehachsen X, Y, Z (für Rollen, Nicken und Gieren) erfaßbar. Dabei bedeutet Rollen = Drehbewegung um die Längs- oder Fortbewegungs- oder X-Achse, Nicken = Drehbewegung um die Quer- oder Y-Achse, Gieren = Drehbewegung um die Hoch- oder Z-Achse.
Zu einer besonders vorteilhaften Lösung kommt man, wenn durch besondere Anordnung der Meßbasis auf dem Fahrzeug die Schwenkbewegungen um die Y- und Z-Achse (für Nicken und Gieren) vernachlässigbar werden, und die Lage der Meßbasis ausschließlich aus der Rollbewegung des Fahrzeuges um die X-Achse bestimmbar wird. Das kann durch Anordnung der Meßbasis in der Mitte und quersymmetrisch zur Fahrzeuglängsachse erreicht werden.
Die Rollbewegungen müssen berücksichtigt werden, weil zur Messung der Fahrdrahtgrößen die gesamte Wagenbreite, über die sich die Meßbasis erstreckt, gebraucht wird und dadurch auch die an den Enden befindlichen Fotosensoren (auch Lasersensoren sind denkbar), größeren Hubschwankungen unterworfen werden, die die Messung verfälschen.
Als Sensoren sind zweckmäßig induktive Wegmeßeinrichtungen vorgesehen, über die der Rollwinkel P und die Rollachslage bestimmbar ist. Diese werden vorteilhaft seitlich versetzt, vorzugsweise symmetrisch zur Rollachse unterhalb des Wagenkastens angebracht und messen dort die jeweiligen Höhenanderungen des Wagenkastens entweder direkt zur Schienenoberkante oder indirekt über die Höhenänderungen zur Radachse.
Bei der indirekten Messung wird von nicht springenden Radachsen ausgegangen. Aus den Meß- und festliegenden Daten der Sensorabstände zur Längsachse sind der Rollwinkel und die Rollachsenlage rechnerisch bestimmbar.
Vorteilhaft lassen sich als Sensoren für die Rollbewegung auch Beschleunigungsmesser mit nachgeschalteter zweifacher Integration der Meßwerte über der Zeit vorsehen. Die Integration der Meßwerte kann dabei in bekannter Weise mit elektronischen Bauelementen durchgeführt werden, die der Meßwertverarbeitungseinheit vorgeschaltet oder zugeordnet sind.
Bei einem balkenförmigen Distanzstück als Meßbasis sind zwei solcher Sensoren nötig, jeweils einer an jedem Ende.
Noch einfacher gestaltet sich die Erfassung der Rollbewegung, die um eine fiktive Achse X erfolgt, wenn der Ort dieser bestimmbaren Achse zugänglich ist. Wenn man davon ausgeht, daß die Meßbasis auf dem Fahrzeug so montiert ist, daß Nickbewegungen nicht stören, bei zweiachsigen Fahrzeugen zum Beispiel in der Mitte, dann kann als Sensor ein Drehpotentiometer dienen, das die Schwenkbewegung um die fiktive Fahrzeugrollachse direkt mißt, wobei die Potentiometerachse mit Elementen der fiktiven Fahrzeugrollachse und das Gehäuse mit quasi ortsfesten Elementen verbunden ist. Gierbewegungen sind praktlsch nedeutend und im vorliegenden Fall der Mittenanordnung des Sensors dort ebenfalls am geringsten. Der Winkel der Drehbewegung ist durch das Drehpotentiometer dann elektrisch als Spannung abbildbar, man braucht keine weiteren Meßwerte mehr.
In Fällen, wo die fiktive Achse X nicht zugänglich ist, das heißt ein paralleler Versatz in Kauf genommen werden muß, kann das Potentiometer an einen zugänglicheren Ort verlegt werden, und der auftretende Fehler als Korrekturwert der Meßwertverarbeitungseinheit mit eingegeben werden. Benutzt man nach einem weiteren Gedanken ein digital, vorzugsweise ein in Gray-Code codiertes Winkelpotentiometer, dann kann der Rollwinkel P fehlersicher elektrisch direkt angegeben werden.
Die Meßwertverarbeitungseinheit ist zweckmäßig ein digitaler Prozeßrechner, der die Berechnung in Echtzeit während der Fahrt durchführen kann. Dabei sollten die Ergebnisse der Rechnung zur weiteren Verarbeitung und sp;iteren Auswertung auf ein Speichermedium aufgezeichnet werden, das auch den jeweiligen Ort der Messung reproduzierbar angibt. Die Meßdaten können jedoch auch zur späteren off-line Verarbeitung direkt auf ein Speichermedium aufgezeichnet werden.
Falls die fiktive Rollachse X am Drehpotentiometer merkliche Bewegungen in Z-Richtung, also nach oben oder unten durch Springen des Wagenkastens ausfiihrt, was eine Änderung des Rollwinkels r ergeben würde, wird dort bzw. dicht unterhalb zweckmäßig die Beschleunigung gemessen. Es ist dann sinnvoll, dort an der Stelle, wo die fiktive Fahrzeugrollachse X die durch die Meßbasis gelegte Querschnittsebene durchdringt, einen Beschleunigungsmesser anzuordnen, der durch doppelte Integration der Meßwerte über der Zeit die angenommene Höhe der X-Achse und damit die Meßgröße des Rollwinkels / korrigiert. Dies entfällt bei direkter induktiver Wegmessung, wie vorher beschrieben.
An Hand einer schematischen Zeichnung wird die Erfindung im nachstehenden näher erläutert: Die Figur zeigt den Umrin eines Schienenfahrzeugs 1, auf dessen Dach eine Meßbasis 2 angebracht ist, die mit ihren fotoelektrischen Sensoren 3 an den Enden die Seitenlageabweichung 5M eines Fahrdrahtes 5 und seinen Abstand hM zum Dach messen soll, woraus dann die Höhe hG zur Schienenoberkante 4 ermittelt wird.
Wie ersichtlich, ist das Fahrzeug in einer Schräglage dargestellt, wie sie sich aus einer Rollbewegung um eine angedeutete, mit X bezeichnete fiktive Rollachse ergibt. Der Roll- oder Schwenkwinkel ist mit W angegeben. Die Sensoren messen in der dargestellten Lage die Grö9en hM und sM. Größen, die gegenüber den wahren Werten verfälscht sind und auf diese durch die Meßgröße Rollwinkel # zurückgeführt werden müssen. Diese Meßgröße wird durch ein entlang der Rollachse X placiertes Drehwinkelpotentiometer gewonnen. Die Korrektur ergibt sich schliFßlich nach den Formeln hG = hx + (hF + hM) . cos / + sin s = - (hF + hM) . sin # + 5M .
Die Höhe der Rollachse X, von der Schienenoberkante gemessen, und mit hx bezeichnet, variiert im Fall von Bewegungen des Wagenkastens in der Z-Achse. Bei wesentlichen Bewegungen muß sie gemessen werden. Aus Beschleunigungsmessungen ergibt sich: In den genannten Formeln stellen dar: hG = Fahrdrahthöhe von der Schienenoberkante gemessen.
hM = Fahrdrahthöhe vom Wagendach gemessen, hF = Höhe zwischen Wagendach und Rollachse X, hX = Höhe der Rollachse X von der Schienenoberkante aus gemessen, b7 = Beschleunigung in Richtung der zO-Achse, cc = Integrationsvariable.
7 Seiten Beschreibung 12 Patentansprüche 1 Bl. Zeichnungen Leerseite

Claims

P a t' e n t a n s p r ü c h e : Einrichtung zur berührungslosen Messung der Höhe und Seitenlage des Fahrdrahtes über der Schienenoberkante bei elektrischen Bahnen mit Hilfe von fotoelektrischen Sensoren, bei der an einem Distanzstück als Meßbasis auf dem Wagendach eines Schienenfahrzeuges, in einer festen Entfernung voneinander, zwei fotoelektrische Sensoren so angeordnet sind, daß sie den Fahrdraht unter bestimmten Winkeln erfassen und aus ihren Signalen mittels einer elektronischen Meßwertverarbeitungseinheit Höhe und Seitenlage des Fahrdrahtes rechnerisch bestimmt wird, nach Patent .. .. .. (Patentanmeldung P 24 40 085.9), dadurch gekennzeichnet, daß die Lageabweichung der Meßbasis (2) auf dem Schienenfahrzeug (1), bezogen auf die Schienenoberkante (4), mittels Sensoren erfaßt und mit diesen Daten eine rechnerische Entkoppelung der Meßergebnisse über Höhen- und Seitenlage des Fahrdrahtes (5) von den Eigenschwingungen des Fahrzeuges (1) erfolgt.
2.) Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Lageabweichungen der Meßbasis (2) von den Sensoren durch Messung der Schwenkbewegungen des Fahrzeugs (1) um seine drei fiktiven Drehachsen X, Y, Z (für Rollen, Nicken und Gieren) erfaßbar sind.
3.) Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch wenn zeichnet, daß durch besondere Anordnung ner Meßbasis (2) auf dem Fahrzeug (1) die Schwenkbewegungen um die Y- und Z-Achse (für Nicken und Gieren) vernachlässigbar sind, und die Lage der Meßbasis (2) ausschließlich aus der Rollbewegung des Fahrzeugs um die X-Achse bestimmbar ist.
4.) Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßbasis (2) in der Mitte und quersymmetrisch zur Fahrzeuglängsachse angeordnet ist.
5.) Einrichtung nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensoren induktive Wegmeßeinrichtungen vorgesehen sind, über die der Rollwinkel / und die Rollachslage bestimmbar ist.
6.) Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei induktive Wegmeßeinrichtungen versetzt, vorzugsweise symmetrisch zur Rollachse unterhalb des Wagenkastens angebracht sind.
7.) Einrichtung nach den Ansprechen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensoren Beschleunigungsmesser mit nachgeschalteter zweifacher Integration der Meßwerte über der Zeit vorgesehen sind.
8.) Einrichtung nach den Ansprüchen 3, 4, 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungsmesser an den seitlichen Enden der Meßbasis (2) angebracht sind.
9.) Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensor ein Drehpotentiometer dient, das die Schwenkbewegung um die fiktive Fahrzeugrollachse (X) direkt mißt, wobei die Potentiometerachse mit Elementen der fiktiven Fahrzeugrollachse (X) und das Gehäuse mit quasi ortsfesten Elementen verbunden ist.
10.) Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei parallelem Versatz zwischen Potentiometer- und fiktiver Fahrzeugrollachse (X) ein Fehlerkorrekturwert mit eingerechnet wird.
11.) Einrichtung nach den Ansprüchen 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein digital, vorzugsweise in Gray-Code codiertes Winkelpotentiometer Verwendung findet.
12.) Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der Stelle, wo die fiktive Fahrzeugrollachse (X), die durch die Meßbasis (2) gelegte Querschnittsebene durchdringt, ein Beschleunigungsmesser angeordnet ist, der durch doppelte Integration der Meßwerte über der Zeit die angenommene Höhe der X-Achse und damit die Meßgröße des Rollwinkels korrigiert.